Trong bối cảnh toàn cầu đang chạy đua với thời gian để chuyển đổi sang các nguồn năng lượng sạch, công nghệ pin mặt trời tiếp tục là trọng tâm của các nghiên cứu đổi mới. Một trong những hướng đi đầy hứa hẹn hiện nay là pin mặt trời tandem, đặc biệt là loại kết hợp giữa perovskite và vật liệu hữu cơ, với tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị linh hoạt, nhẹ và tích hợp vào các bề mặt như cửa sổ, mái nhà, hoặc thiết bị đeo cá nhân. Tuy nhiên, thách thức lớn nhất cản trở bước tiến của công nghệ này chính là sự cân bằng giữa hiệu suất chuyển đổi năng lượng và độ bền thiết bị.

Mới đây, các nhà khoa học Hàn Quốc đã công bố một đột phá quan trọng có thể đưa công nghệ pin mặt trời tandem tiến gần hơn đến ứng dụng thực tiễn. Nhóm nghiên cứu do Giáo sư BongSoo Kim dẫn đầu tại Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Ulsan (UNIST) đã phát triển thành công một vật liệu màng mỏng mới với khả năng cải thiện đáng kể cả hiệu suất quang điện và độ ổn định nhiệt của thiết bị.

Pin mặt trời tandem: Cơ chế và tiềm năng

Pin mặt trời tandem hoạt động dựa trên cơ chế xếp chồng hai lớp tế bào quang điện có vật liệu hấp thụ khác nhau – thông thường là một lớp perovskite ở trên và một lớp hữu cơ hoặc silicon ở dưới – để tối ưu hóa việc hấp thụ phổ ánh sáng mặt trời. Trong khi lớp perovskite hấp thụ ánh sáng khả kiến, lớp hữu cơ có thể tận dụng ánh sáng gần hồng ngoại, nhờ đó tăng hiệu suất tổng thể lên đáng kể.

Sự linh hoạt, trọng lượng nhẹ và khả năng in ấn trên các bề mặt mềm khiến các loại pin mặt trời perovskite-hữu cơ trở thành ứng cử viên sáng giá cho nhiều ứng dụng, từ thiết bị đeo, điện tử tiêu dùng, đến vật liệu xây dựng tích hợp năng lượng.

Thách thức lớn: Làm sao để hiệu quả mà vẫn bền

Mặc dù tiềm năng là rất lớn, công nghệ này vẫn đối mặt với một rào cản lớn: làm thế nào để duy trì hiệu suất cao trong thời gian dài, đặc biệt là trong điều kiện khắc nghiệt như ánh sáng mạnh và nhiệt độ cao. Nguyên nhân chủ yếu đến từ sự mất ổn định tại các giao diện giữa các lớp vật liệu – nơi xảy ra sự tái hợp giữa điện tử và lỗ trống, gây thất thoát điện tích và giảm hiệu quả hoạt động của pin.

Đột phá từ lớp vận chuyển lỗ tự lắp ráp

Để giải quyết bài toán này, nhóm nghiên cứu tại UNIST đã tập trung vào việc thiết kế lớp vận chuyển lỗ (HTL – Hole Transport Layer) – một lớp vật liệu quan trọng giúp chuyển tải các hạt mang điện (lỗ) từ lớp hấp thụ ánh sáng đến điện cực. Cấu trúc HTL không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất điện mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định các lớp kế cận, đặc biệt là lớp perovskite vốn dễ bị suy thoái dưới tác động môi trường.

Nhóm nghiên cứu đã chế tạo lớp HTL bằng cách pha trộn hai phân tử tự lắp ráp (self-assembled molecules): 36ICzC4PA và 36MeOCzC4PA. Khi được phủ lên bề mặt, các phân tử này tự tổ chức thành lớp phủ mỏng, đồng đều, vừa giúp tối ưu hóa quá trình dẫn điện, vừa tạo ra các liên kết bền vững với vật liệu perovskite phía dưới.

Hiệu suất kỷ lục và độ bền vượt trội

Nhờ ứng dụng lớp vận chuyển lỗ mới này, thiết bị pin mặt trời tandem của nhóm đã đạt được các kết quả hết sức ấn tượng:

Điện áp mạch hở (VOC) lên đến 2,216 V – một trong những giá trị cao nhất từng được ghi nhận đối với pin perovskite-hữu cơ.

Hiệu suất chuyển đổi điện năng (PCE) đạt 24,73%, vượt trội so với mặt bằng chung của các thiết bị tương tự.

Sau khi chịu chiếu sáng liên tục ở nhiệt độ cao (65°C), thiết bị vẫn duy trì trên 80% hiệu suất ban đầu, cho thấy khả năng hoạt động ổn định trong điều kiện thực tế.

Sự cải thiện này đến từ nhiều cơ chế đồng thời:

Tăng hiệu quả tách điện tích: lớp HTL giúp giảm thiểu sự tái hợp giữa điện tử và lỗ, tối ưu hóa dòng điện sinh ra.

Tăng tính ổn định giao diện: các liên kết giữa phân tử tự lắp ráp và ion kim loại trong perovskite giúp ổn định cấu trúc tinh thể.

Giảm khuyết tật: hạn chế các điểm sai lệch trong cấu trúc tinh thể vốn là nguyên nhân chính dẫn đến thất thoát điện tích.

Tính khả thi cho sản xuất quy mô lớn

Một ưu điểm nổi bật khác của lớp HTL này là khả năng tự tạo thành màng siêu mỏng và đồng đều trên diện rộng, giúp đơn giản hóa quy trình chế tạo. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh thương mại hóa, khi các công nghệ cần có khả năng sản xuất hàng loạt với chi phí hợp lý.

Theo Giáo sư BongSoo Kim:

“Việc phát triển lớp vận chuyển lỗ tự lắp ráp đã cải thiện rõ rệt khả năng tách điện tích, độ ổn định giao diện và độ bền cấu trúc, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất pin mặt trời tandem. Nghiên cứu này góp phần hiện thực hóa các tấm pin mặt trời thế hệ mới: mỏng, linh hoạt và hiệu quả cao.”

Ứng dụng và triển vọng

Với những kết quả đột phá, công nghệ pin mặt trời tandem perovskite-hữu cơ đang mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng:

Thiết bị đeo thông minh: Pin siêu mỏng, linh hoạt có thể tích hợp vào vải vóc, đồng hồ, kính thông minh.

Vật liệu xây dựng tích hợp năng lượng: Các tấm kính năng lượng mặt trời, lớp phủ trên mái nhà hoặc mặt ngoài tòa nhà.

Thiết bị điện tử linh hoạt: Smartphone, máy tính bảng với vỏ có thể tạo năng lượng.

Về lâu dài, công nghệ này còn có thể đóng góp đáng kể vào việc giảm phát thải carbon và thúc đẩy nền kinh tế năng lượng bền vững, phù hợp với các mục tiêu phát triển xanh của nhiều quốc gia trên thế giới.

Tầm quan trọng của công trình nghiên cứu

Công trình nghiên cứu của nhóm Giáo sư BongSoo Kim không chỉ mang ý nghĩa học thuật mà còn có tính ứng dụng rất cao. Việc thiết kế vật liệu tự lắp ráp có chức năng quang điện đánh dấu sự kết hợp thành công giữa hóa học vật liệu, kỹ thuật nano và kỹ thuật năng lượng, mở ra một hướng đi mới trong việc chế tạo các thiết bị năng lượng mặt trời.

Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí quốc tế uy tín Advanced Energy Materials, xác lập một chuẩn mực mới trong lĩnh vực pin mặt trời thế hệ mới.

Nguồn: Tổng hợp